Наблюдения искусственных небесных тел

Наблюдения искусственных небесных тел
Каплинский А.Е., к.ф.-м.н., доцент АлтГТУ
Среди задач современной прикладной астрономии отдельное место занимают
наблюдения искусственных небесных тел: искусственных спутников Земли (ИСЗ)
различного назначения, ракет-носителей, а также фрагментов космического мусора,
появившегося в околоземном пространстве в результате ракетно-космической
деятельности. Такие наблюдения могут иметь и большую научную и прикладную
ценность, позволяя пополнять каталоги этих объектов и уточнять параметры их орбит.
Виды орбит космических аппаратов (КА)
Все ИСЗ движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Земля.
Следовательно, все виды орбит являются эллиптическими. Основное деление орбит
производят по величине наклонения орбиты и по значению ее большой полуоси.
Например:
экваториальные,
полярные,
солнечно-синхронные,
геосинхронные,
геостационарные.
Кроме того, можно выделить деление по величине эксцентриситета −
малоэллиптичные и высокоэллиптичные орбиты. Следует отметить, что орбиты
подвержены непрерывной эволюции вследствие ряда факторов: притяжения Луны и
Солнца, давления солнечного света, атмосферного торможения, неоднородности Земли.
Поэтому систематические наблюдения за ИСЗ приобретают особую важность.
Методы и схемы выведения КА на околоземные орбиты
Развитие ракетно-космических технологий привело к созданию нескольких классов
ракет-носителей (РН), служащих для выведения в космос различных объектов. Наиболее
известными из них являются отечественные РН «Союз», «Протон», российско-украинская
РН «Зенит», а также ряд ракет военного назначения.
Рассмотрим типичную схему вывода ИСЗ на геостационарную орбиту с помощью
трехступенчатой РН «Протон» с разгонным блоком (РБ) «Бриз-М» с космодрома
Байконур на примере спутника связи Nimiq 6. Активный участок полета РН длится 582
секунды, в течение которых работают двигатели самой ракеты. После выключения
двигателей 3 ступени происходит отделение разгонного блока со спутником, и на 676-й
секунде включается его двигатель. Отработав 266 секунд, двигатель РБ выключается, за
это время орбита его поднимается и становится опорной – круговой с высотой 173 км и
наклонением 51,50. Второе включение двигателя РБ происходит на 4050-й секунде и
длится 1066 секунд. В результате этого КА оказывается на промежуточной орбите с
высотой в перигее 270 км, в апогее 5000 км и наклонением 50,30 (близким к стартовому).
Затем следуют третье и четвертое включения двигателя РБ, в результате чего КА
выводится на переходную орбиту с высотой в перигее 410 км, в апогее 35793 км и
наклонением 49,10. В результате пятого, последнего, включения двигателя плоскость
орбиты резко поворачивается и она превращается в целевую (геопереходную) орбиту с
высотой в перигее 12073 км, в апогее 35786 км и наклонением 10,2 0. После отделения и
увода отработавшего РБ в сторону спутник продолжает движение по практически
круговой геостационарной орбите высотой 35786 км в плоскости земного экватора. Это
происходит через 9 ч 14 м после старта. Управление спутником передается заказчику.
Похожие схемы применяются и в других случаях. Для вывода на относительно
невысокие орбиты пилотируемых кораблей «Союз» и грузовых «Прогресс» разгонные
блоки не применяются, и задача выполняется двигателями ракеты-носителя «Союз».
Космический мусор
Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их
фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не
смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия
на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых
случаях, крупные или содержащие на борту опасные материалы объекты космического
мусора могут представлять прямую опасность и для Земли – при их неконтролируемом
сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и
выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные
коммуникации и т. п.
В настоящее время по разным оценкам в районе низких околоземных орбит вплоть
до высот около 2000 км находится до 5000 тонн техногенных объектов. На основе
статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода
(поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать порядка 100 000.
Из них только порядка 10 % (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и
каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами и только
около 6 % отслеживаемых объектов – действующие. Около 22 % объектов прекратили
функционирование, 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные
блоки ракет-носителей, и около 55 % – отходы, технологические элементы,
сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.
Орбиты объектов космического мусора также подвержены эволюциям, причем чем
больше у них отношение площади к массе – тем сильнее они выражены. Обнаружение,
каталогизация и постоянное отслеживание этих объектов представляет собой важную
задачу, поскольку они представляют прямую угрозу действующим ИСЗ и орбитальным
станциям. Нередко эти объекты могут наблюдаться с Земли даже небольшими
оптическими приборами, а также в ряде случаев и невооруженным глазом – в виде
кратковременных вспышек отраженным солнечным светом.
Типичные наблюдательные задачи
1. Международная космическая станция
МКС является одним из самых ярких искусственных космических объектов при
наблюдении с Земли. Ее видимая яркость при пролете на минимальном от наблюдателя
расстоянии достигает яркости Венеры и даже превосходит ее, поэтому она может быть
видна на небе даже в сумерки. Периоды пролетов МКС в темное время суток для данной
точки наблюдений регулярно сменяются периодами, приходящимися на дневное время,
поэтому важно заранее определить, когда и где на небе она может наблюдаться. Для этого
можно использовать Интернет-сайты
www.calsky.com , www.heavens-above.com и
специальные программы – например, HeavenSat. При введении широты и долготы пункта
наблюдения, а также часового пояса можно заранее спрогнозировать время, азимут и
угловую высоту МКС над горизонтом для моментов ее восхода, кульминации, захода,
входа в земную тень или выхода из нее, а также получить оценку видимой яркости МКС в
звездных величинах и моменты прохождения станции вблизи Луны, планет или ярких
звезд.
МКС легко сфотографировать обычным цифровым фотоаппаратом со штативом –
на снимке получается ее трек среди звезд. Некоторые астрономы-любители научились
фотографировать МКС и с помощью телескопов. Ее видимые размеры достигают почти 1
угловой минуты, поэтому на снимках можно увидеть строение станции.
Иногда МКС пролетает и на фоне Солнца и Луны. Это явление кратковременно,
длится порядка секунды, и наблюдается в узкой полосе земной поверхности, но и оно
тоже может быть спрогнозировано теми же средствами, а при известной сноровке –
наблюдаться и фиксироваться с помощью фотоаппаратов и видеокамер.
2. Вспышки спутников связи «Иридиум»
Вспышка «Иридиума» − явление, вызываемое отражением солнечного света
гладкими поверхностями антенн спутников системы спутниковой связи «Иридиум». Она
состоит из 81 космического аппарата (из них 15 резервных), равномерно размещённых на
6 приполярных круговых орбитах с наклонением 86,4° и высотой около 780 км.
Время от времени одна из антенн отражает солнечные лучи на поверхность Земли,
создавая блик диаметром около 10 км, движущийся по поверхности планеты. Для земного
наблюдателя это выглядит как плавное появление и последующее плавное исчезновение
ярчайшей звезды. Это красивое явление продолжается менее 10 секунд. Любители
астрономии часто фотографируют его.
Некоторые вспышки очень яркие – многие достигают −8… −9 звездной величины,
что в 30 раз ярче Венеры в максимуме блеска и примерно соответствуют Луне в фазе
узкого серпа. Вспышки такой яркости могут наблюдаться даже днём, но производят
наибольшее впечатление ночью. Спутники системы «Иридиум» в моменты отражения
солнечного света на Землю − самые яркие звездообразные объекты на небе. В темные
ночи можно увидеть даже тени земных объектов, порожденные этим вспышками.
Так как положение каждого космического аппарата известно с высокой точностью,
можно вычислить моменты вспышек для любой точки планеты. Для этого пригодны те же
средства, что и для прогнозирования пролетов МКС. Сайт www.calsky.com вычисляет
также положение оси вспышки на земной поверхности, где она достигает наибольшей
яркости, и изображает ее на карте. Таким образом, имеется возможность заранее выбрать
оптимальное место для наблюдений этого явления.
3. Геостационарные спутники
Поскольку геостационарная орбита находится на высоте почти 36 тысяч
километров над поверхностью Земли, находящиеся на ней спутники имеют очень малую
яркость (порядка 12-й звездной величины) и поэтому могут быть видны лишь в телескопы
средних размеров или проявляться на фотоснимках. Однако дважды в год наступают
периоды, когда их можно заметить и невооруженным глазом.
Известно, что склонение Солнца в течение года, между летними и зимними
солнцестояниями, изменяется от +230 26′ до −230 26′. Соответственно в течение года
перемещается и земная тень относительно плоскости геостационарной орбиты,
расположенной в плоскости экватора Земли. Вблизи перехода Солнца через небесный
экватор в средних широтах Северного полушария Земли начинается сезон вспышек
активных, с наклонением орбиты, близким к нулю, спутников, начинающийся примерно
за 3 недели до весеннего равноденствия и через 3 недели после осеннего равноденствия. В
эти периоды солнечный свет, отраженный в основном от солнечных панелей, создает на
поверхности Земли светлое пятно диаметром примерно 350 км. Для наблюдателя,
находящего на этих широтах, вспыхнувший спутник может увеличить свой блеск до
второй, а иногда и первой звездной величины, и минут 10-20 будет виден невооруженным
глазом. При благоприятных условиях примерно каждые несколько минут можно будет
наблюдать вспышки спутников.
Геостационарные спутники можно и фотографировать с помощью достаточно
светосильных зеркальных фотокамер, установленных на штативе и наведенных на область
их нахождения на небе. При длительной выдержке (десятки секунд) звезды на снимках
получаются в виде параллельных черточек (треков), а спутники выглядят среди них
яркими точками.
На широте Барнаула геостационарная орбита простирается по небу широкой дугой
с востока на запад, поднимаясь над точкой юга на максимальную высоту в 30 0 над
горизонтом. Положение на ней конкретных спутников можно получить, пользуясь
программами HeavenSat, Stellarium или аналогичными, заранее обновив через Интернет
базы данных спутников. С помощью этих же программ можно и отождествить спутники.
4. Запуски ракет-носителей
Расположение Алтайского края вблизи трассы полета ракет-носителей с
космодрома Байконур дает возможность регулярно наблюдать оптические явления,
сопровождающие их. В некоторых случаях могут быть доступны наблюдениям и запуски
с Плесецка.
Для наблюдений полета ракет-носителей необходимо прежде всего знать точное
время запуска. Сведения о предстоящих запусках публикуются на сайтах Роскосмоса,
«Новости космонавтики», а также на форумах астрономов-любителей. Необходима также
информация о наклонении орбиты, поскольку с территории Алтайского края хорошо
доступны для наблюдения запуски, производящиеся с космодрома Байконур на
наклонение 51,60 (все пилотируемые корабли «Союз», грузовые «Прогресс», а также
запуски РН «Протон» и «Зенит» со спутниками, выводимыми на геостационарную
орбиту), и значительно хуже – на наклонение 64,80 (запуск навигационных спутников
«Глонасс» и ряда других). В первом случае ракета проходит через южную часть неба, во
втором – через северную и лучше всего видна из северо-западных районов края.
Наиболее яркие картины полета ракет-носителей на активном участке траектории
имеют место при сумеречном освещении, когда аэрозольный шлейф, порожденный
работой ракетных двигателей, подсвечивается Солнцем из-за горизонта. Особенно это
характерно для ракет «Союз» и «Зенит», двигатели которых работают на керосине. При
полете «Протона», двигатели которого работают на гептиле, а также в ночное время,
шлейф выглядит на фоне неба малоконтрастным и неярким. Для условий Алтайского края
третья ступень ракеты, запущенной с Байконура, становится доступной для наблюдений
на 7-й – 8-й минутах полета, когда она появляется над горизонтом на юго-западе и
двигается на восток. Обычно хорошо виден момент завершения работы ее двигателя и
отделение корабля или разгонного блока на 10-й минуте полета. В это же время правее и
ниже ракеты появляются разгорающиеся фрагменты отделившейся еще над Казахстаном
второй ступени. Они дают яркие вспышки, особенно в случае «Протона», и легко
доступны наблюдениям и фотосъемке на всей территории края.
Наблюдения полетов ракет-носителей астрономами-любителями могут помочь
уточнить районы падения их отделяемых частей, а в случаях аварийных пусков (как,
например, «Союз-2» 23.12.2011) – предоставить ценную информацию для анализа причин
аварии.
5. Прочие спутники и космические аппараты
Кроме перечисленных случаев, можно наблюдать и другие спутники и космические
аппараты различного назначения – метеорологические, научно-исследовательские,
экспериментальные, навигационные и т.д., а также наиболее значительные компоненты
космического мусора. Информацию о них можно получить через те же программы
Stellarium, HeavenSat и им подобные (при условии свежего обновления спутниковых баз),
а также на сайтах CalSky, Heavens-Above и т.д. Для наблюдений достаточно бинокля,
зрительной трубы или небольшого телескопа, необходимы также выверенные часы, карты
звездного неба, а лучше программы-планетарии на портативном компьютере (ноутбуке).
Для фотосъемки спутников пригоден любой зеркальный цифровой фотоаппарат с
возможностью смены объектива, ручными настройками параметров съемки и
установленный на штативе. Можно использовать и специальные видеокамеры.
Наиболее доступными и в то же время ценными наблюдениями является фиксация
моментов вспышек спутников отраженным солнечным светом и оценка их яркости путем
сравнения с опорными звездами. При наличии GPS-приемника и точной фиксации
времени и координат пункта наблюдения такие наблюдения могут иметь и научную
ценность.
Обширная информация о средствах и методах наблюдения спутников содержится
на сайте www.sat.belastro.net .
Настоящая статья не претендует на полноту освещения всех вопросов наблюдений
искусственных космических объектов. Однако учащиеся и их руководители,
заинтересовавшиеся этой тематикой, могут самостоятельно выбрать наиболее
интересующие их и доступные вопросы, которые впоследствии можно углубленно
разрабатывать, проводя реальные наблюдения.
Полезные ссылки








www.astronomy.ru
www.novosti-kosmonavtiki.ru
www.federalspace.ru
www.heavensat.ru
www.stellarium.org/ru
www.sat.belastro.net
www.calsky.com
www.heavens-above.com